弦理論は数個の物理的前提から自然に出現すると判明 (3/4)

物理学の偉大な発見の多くは、まず頭のなかで「美しい理論」を組み立て、最後に「では、これは現実と合うかな？」と実験で確かめにいくことで証明されてきました。

理論が先、検証があと、という順番です。

しかし今回の研究チームは、この順番をまるごと逆さまにしてみることにしました。

「弦があるはずだ」と最初に決めるのをやめ、代わりに4つの簡単な前提からを設定することから始めました。

最初の2つは「確率を全部足したら100%になる」（ユニタリ性）とか、「物理法則は誰にとっても同じ」（ローレンツ不変性）といった現在の物理学の基礎となるものです。

そこに条件を2つだけ添えました。

1つは「ものすごく高いエネルギーでぶつけるほど、粒子どうしはかえってぶつかりにくくなり、すり抜けていく」という条件（超軟性）。

もう一つは、同じルールを満たす答えのなかから、よけいな飾りのない”いちばんシンプルな形”を選ぶ、という条件（最小ゼロ点）です。

（※厳密には、基本としてユニタリ性・ローレンツ不変性と局所性・交差対称性などの整合性条件を土台に、追加として「超軟性」と「最小ゼロ点」の2つを重ねた構成です）

そのうえで「このルールだけを守るとしたら、いったいどんな理論が”許される”のだろう？」と問いかけました。

先に理論を決めず、最小限の前提から何が生まれるかを調べる手法（ブートストラップ）です。

感覚は、推理小説の犯人当てに近いかもしれません。

少ない手がかり（登場人物など）とルール（壁抜けやワープの禁止）から、論理だけで答えを1つに絞り込んでいくのです。

今回、その”当事者”は人間ではなく粒子でした。

また状況は「粒子同士がぶつかったとき、どう跳ね返り、どんな結果になりやすいか」です。

そしてこの設定から数式が何を語り出すかを、じっと見つめました。

すると、不思議なものが現れました。

数式は、「ある決まったパターンで、粒子の状態が次々に現れる」と告げたのです。

しかも、その粒子たちは、まるで階段のように規則正しく並んでいました。

一段のぼるごとに、少しずつ”重く”なり、少しずつスピンと呼ばれる量が増えていきました。

重さもスピンも、きれいに段階を踏んで増えていく——そんな”無限に続く粒子の階段”が、数式の中からひとりでに立ち現れたのです。

じつは、これこそ「ひも理論（弦理論）」の構造そのものでした。

弦理論では、この「振動の仕方」の一つひとつが、それぞれ別の”粒子”に対応すると考えます。

いちばんゆっくりした振動が、いちばん軽い粒子で振動が細かく激しくなるほど、重く、スピンの大きい粒子になるります。

これはバイオリンの絃と音の関係に似ています。

バイオリンの弦でも一本ぴんと張ってはじくと、まず「基本の音」が鳴りますがその上に、2倍、3倍……と規則正しく高い音が、いくつも重なって響きます（この上に乗る音を「倍音」と呼びます）。

たった一本の弦が、振動の仕方を変えるだけで、低い音から高い音までの”音の階段”をつくり出しているのです。

数式から現れた”粒子の階段”は、この弦の倍音と、そっくり同じ構造をしていました。

一本の弦が”音の階段”を生むように、一本の弦が振動を変えることで、軽い粒子から重い粒子までの”粒子の階段”を生み出す——それこそが、弦だけが残す”指紋”だったのです。

こうして、ごく単純な設定だけで、弦理論が数式の底からにじみ出てきたわけです。

研究を率いたカリフォルニア工科大学のクリフォード・チャン氏は、この瞬間を「弦は、ただ転がり落ちてきたのです」と言い表しています。

そして、さらに驚くべきことが待っていました。

弦は「現れた」だけではなかったのです——。